Als im April 2023 die Trägerrakete Ariane 5 mit der Raumsonde JUICE an Bord in Französisch- Guayana abhob, war die Euphorie in einem Konferenzraum im 7778,47 Kilometer entfernten Jena groß. Die Abteilung „Präzisionsoptische Komponenten und Systeme“ hatte Kolleginnen und Kollegen des Fraunhofer Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF eingeladen, um den Start eines der bislang ehrgeizigsten Projekte der Europäischen Weltraumorganisation live zu verfolgen. Denn sie selbst tragen einen wichtigen Teil dazu bei.
Das Ziel der Mission JUICE ist der rund 860 Millionen Kilometer entfernte Planet Jupiter mit seinen drei großen Eismonden Ganymed, Kallisto und Europa. Mit zehn Instrumenten an Bord der Raumsonde, darunter Kameras, Spektrometer, Radar und Laser, wollen die Weltraumforscher den größten Planeten unseres Sonnensystems beobachten, vermessen und heraus-finden, ob es unter der Eisoberfläche der Jupitermonde Wasser gibt, das günstige Bedingungen für die Entwicklung von Leben bietet. Eines dieser Messinstrumente ist der Laserhöhenmesser „Ganymed Laser Altimeter“ (GALA). Das dort eingebaute Spiegelteleskop stammt vom Fraunhofer IOF aus Jena.
Um den Eismond abzutasten, werden kurze Laserpulse auf seine Oberfläche geschickt, dort reflektiert und vom Empfangsteleskop an Bord der JUICE wieder aufgefangen. Der Weg, den die Photonen zurücklegen, ist auf zehn Zentimeter genau messbar. Aus den Daten soll eine exakte Topografie von Ganymed erstellt werden. „Alle Missionen zu fremden Planeten wollen im Grunde analysieren, wie Leben entsteht und wie lange Leben, wie wir es kennen, möglich ist“, erklärt Professor Andreas Tünnermann, Institutsleiter am Fraunhofer IOF. „Mit unseren optischen Instrumenten blicken wir mithilfe von Licht in die Vergangenheit, können aber auch Rückschlüsse ziehen, wie sich die Zukunft entwickeln könnte.“
Drei Lichtgestalten machen Jena zum internationalen Zentrum für Optik und Photonik
Ein Blick in die Vergangenheit erklärt auch, warum die Raumsonde JUICE ausgerechnet ein Bauteil aus Jena zum Jupiter schickt. Denn die Universitätsstadt im malerischen Saaletal in Thüringen, auch bekannt als „Lichtstadt“ oder „Optical Valley“, ist seit Mitte des 19. Jahrhunderts einer der weltweit wichtigsten Standorte für Optik und Photonik. Jenas photonischer Urknall war das zufällige Zusammentreffen dreier Visionäre, die bis heute in der Stadt allgegenwärtig sind: der Handwerker Carl Zeiss, der Wissenschaftler Ernst Abbe und der Unternehmer Otto Schott.
Als Carl Zeiss am 17. November 1846 in der Jenaer Neugasse 7 mit einem bescheidenen Startkapital von 100 Talern seine erste Werkstatt eröffnete, legte er unwissentlich den Grundstein für die Entstehung eines der führenden Technologieunternehmen der optischen und optoelektronischen Industrie. Zeiss war von dem Ehrgeiz beseelt, Mikroskope zu bauen, die nicht nur besser, sondern auch günstiger waren als die der Konkurrenz. 20 Jahre später traf er auf den brillanten Physiker Ernst Abbe, damals 26 Jahre alt, und entwickelte mit dessen Hilfe ein Mikroskop, das weltweit für seine herausragende Qualität gefeiert wurde. Allerdings gab es noch ein Hindernis für die Herstellung exzellenter Mikroskop-Objektive: Das dafür benötigte optische Spezialglas war nirgendwo erhältlich. Die Lösung fand sich in der Person des 28-jährigen Chemikers und Glasexperten Otto Schott aus Witten. Zeiss und Abbe errichteten für Schott in Jena ein glastechnisches Labor, das spätere Glaswerk Schott & Genossen. Damit schufen sie die Basis, auf der sich das einstige Provinzstädtchen zu einem Hightech-Standort von internationalem Rang entwickeln konnte.
Hohe Dichte von Wissenschaft, Forschung und Industrie
Heute arbeiten und forschen in der Region mehr als 100 Unternehmen und Einrichtungen daran, Licht noch besser in den Dienst der Menschheit zu stellen. Dazu gehören natürlich Zeiss und die Konzerne Jenoptik und Schott, aber auch junge Unternehmen, die an Innovationen tüfteln. Auf Institutsseite haben sich das Thüringer Photonik-Netzwerk OptoNet und Forschungseinrichtungen wie das Abbe Center of Photonics, das Leibniz-Institut für Photonische Technologien, das Helmholtz-Institut und das Fraunhofer IOF im Optical Valley angesiedelt. Gemeinsam mit der Friedrich-Schiller-Universität und der Ernst-Abbe-Hochschule setzen sie die von Zeiss, Abbe und Schott vorgelebte Symbiose aus Forschung und Unternehmertum fort und entwickeln mit Partnern aus aller Welt lichtbasierte Lösungen für Lebens- und Umweltwissenschaften, Kommunikations-, Informations- und Sicherheitstechnik.
Dass zehn Kilometer nordöstlich von Jena die Thüringer Landessternwarte „Karl Schwarzschild“ Tautenburg (TLS) mithilfe von Licht nach Antworten aus dem All sucht, ist auch der Firma Carl Zeiss zu verdanken. Kurz nach Ende des Zweiten Weltkrieges entwickelte der damalige Chefkonstrukteur von Zeiss, Alfred Jensch, ein neuartiges Universalteleskop. Damals zählte es zu den fünf größten der Welt. Inzwischen existieren zwar deutlich größere Geräte, doch die Astronominnen und Astronomen in Tautenburg betreiben damit weiterhin astrophysikalische Grundlagenforschung.
Seit 1960 beobachten die Forschenden ferne Galaxien, Sterne und das Sonnensystem. Heute suchen sie auch nach extrasolaren Planeten und damit nach Antworten auf die Frage, ob wir im Universum wirklich alleine sind.
Das Lichtspektrum eines Planeten lässt spannende Schlüsse zu
Die Spektroskopie, also das Aufbrechen von Licht in seine verschiedenen Farben beziehungsweise Wellenlängen, ist das diagnostische Rückgrat der Astrophysik und Astronomie. Sie ermöglicht es, die Zusammensetzung von Himmelskörpern mithilfe von Licht zu analysieren. Wie ein Fingerabdruck verrät das Lichtspektrum eines Planeten, aus welchen Gasen seine Atmosphäre besteht, ob es dort Wasser gibt oder wie sich die Materie bewegt.
Auch wenn das Tautenburger Zwei-Meter-Teleskop sechs Jahrzehnte nach seinem Bau nicht mehr zu den Giganten unter den Spiegelteleskopen zählt, ausgedient hat es noch lange nicht. „Zwei-Meter-Teleskope gibt es noch immer auf der ganzen Welt. Und sie werden gerade wieder interessant, weil es durch neue Weltraummissionen einen sehr großen Bedarf gibt, die entdeckten extrasolaren Planeten auch von der Erde aus zu beobachten“, sagt Prof. Markus Roth, seit 2023 neuer Direktor der TLS.
Was das Alfred-Jensch-Teleskop nach wie vor einzigartig macht, ist die Möglichkeit, es zur weltweit größten Schmidt-Kamera umzubauen, also einem Teleskop, das für die Fotografie von weiten Bereichen des Nachthimmels optimiert ist. Die dafür notwendige Korrekturlinse, die in Tautenburg steht, hat einen Durchmesser von 1,34 Metern und bietet damit perfekte Voraussetzungen, um auch ausgedehnte Himmelsobjekte wie Galaxien, Nebel, Sternhaufen sowie die Bahnen von Asteroiden gut beobachten und fotografieren zu können.
Von Tautenburg in die ganze Welt
Markus Roths persönlicher Forschungsschwerpunkt ist dagegen die Sonne. In Tautenburg baut er gerade den Prototyp eines Sonnenlabors namens TauSoL, um die großen Zusammenhänge auf der Sonne zu untersuchen. „Die Sonne ist ein sehr aktiver Stern“, sagt Roth. „Bei Eruptionen und Materieausbrüchen wer-den immer wieder Elektronen und Protonen in Richtung Erde geschleudert.“ Diese Sonnenstürme können nicht nur Satelliten oder die bemannte Raumfahrt in Gefahr bringen, sondern auch auf der Erde zu Kurzschlüssen in Umspannwerken oder in Hochspannungsleitungen führen.
Mit seismischen Verfahren will Roth künftig das Weltraumwetter vorhersagen und rechtzeitig vor bestehenden Ausbrüchen warnen. Dazu soll ein ganzes Netzwerk von Sonnenobservatorien mit verschiedenen Standorten weltweit entstehen. Die Materialien und Technologien, die Roth für das neue Spektrometer seines Sonnenlabors braucht, werden zum Teil auch am Fraunhofer IOF entwickelt.
Wie das Fraunhofer IOF die Superkräfte des Lichts entschlüsselt
Neben Astronomie und Raumfahrt beschäftigt sich das IOF Jena auf vielen anderen Photonik-Feldern mit Menschheitsherausforderungen. Wie erfolgreich das rund 500-köpfige Team um Leiter Andreas Tünnermann dabei ist, zeigt die Tatsache, dass mittlerweile drei Trophäen des renommierten Deutschen Zukunftspreises in den Büros in der Albert-Einstein-Straße 7 stehen.
So gehört das Fraunhofer IOF auch zu den Pionieren der angewandten Quantenphotonik. Sie ist vereinfacht gesagt der Versuch, die geheimen Superkräfte des Lichts auf Basis physikalischer Gesetze zu nutzen, um bahnbrechende Dinge zu tun.
Ein Beispiel – und einer der Schwerpunkte – ist die Quantenkommunikation. „Weltweit stellt sich heute die Frage, wie sicher Daten bei der Übertragung, aber auch bei der Langzeitspeicherung sind“, erklärt Prof. Andreas Tünnermann den Hintergrund. Denn immer leistungsfähigere digitale Technologien und die fortschreitende Entwicklung von Quantencomputern dürften schon bald viele gängige Verschlüsselungsverfahren knacken. Quantentechnologien ermöglichen es dagegen, Informationen so zu übertragen, dass sie theoretisch weder unbemerkt ab-gehört noch unbemerkt entschlüsselt werden können, egal wie mächtig der Angreifer ist.
Kein Wunder, dass auch die Bundesregierung großes Interesse daran hat zu testen, wie man sich mithilfe von Lichtteilchen vor Hackerangriffen, Datenlecks oder Wirtschaftsspionage schützen kann. In enger Abstimmung mit europäischen Partnern initiiert sie erste Forschungsprojekte — auch in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IOF. So baut das Institut seit Herbst 2019 gemeinsam mit dem Bundesforschungsministerium, Industriepartnern, dem Max-Planck-Institut und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) unter dem Namen QuNET ein hochsicheres Kommunikationsnetzwerk zwischen mehreren Regierungsstandorten auf. Zwei Erfolge kann QuNET bereits vorweisen: Im August 2021 fand in Bonn über eine 300-Meter-Sichtverbindung eine quantengesicherte Videokonferenz statt. Und im Juli 2023 gelang es, über mehrere quantengesicherte Punkt-zu-Punkt-Verbindungen über eine Distanz von knapp zwei Kilometern zu kommunizieren — die Basis für zukünftige weitreichende quantensichere Netze.
Der Knotenpunkt der Quantenautobahn liegt in Erfurt
Eine Schlüsselrolle spielt das Fraunhofer IOF auch bei der Entwicklung einer Art „Quantenautobahn“ auf Basis bestehender Glasfaserleitungen. Die erste Teststrecke wurde mit Mitteln des Landes Thüringen zwischen dem Fraunhofer IOF in Jena und dem Fraunhofer-Zentrum in Erfurt aufgebaut. Ein mögliches Anwendungsfeld ist der Austausch von Patientendaten für telemedizinische Software, um die ärztliche Versorgung in ländlichen Regionen zu verbessern. „Wenn wir Daten unabhängig von der Infrastruktur abhörsicher übertragen können, können wir auch bestehende Infrastrukturen wie Glasfasernetze nutzen“, erklärt Andreas Tünnermann.
In naher Zukunft sollen die Verbindungen von Berlin nach Frankfurt und von München nach Dresden ausgebaut werden. Dreh- und Angelpunkt aller Verbindungen aber bleibt das Fraunhofer-Zentrum in Erfurt, nicht zuletzt wegen seiner günstigen geografischen Lage in der Mitte Deutschlands. „Auf der zukünftigen Quantenautobahn führt kein Weg mehr an Thüringen vorbei“, so Tünnermann. Ein Satz, der sicher auch den Herren Zeiss, Abbe und Schott gefallen hätte.